【導(dǎo)讀】本文詳細介紹了防護雷電及過電壓的常用方法：分流、均壓、屏蔽、接地和保護。對構(gòu)成浪涌保護器的內(nèi)部器件如：放電管、壓敏電阻、TVS瞬態(tài)電壓抑制器、共模線圈等也有詳細介紹，且根據(jù)器件的各自特點設(shè)計理想的浪涌保護器。
微電子設(shè)備遭受雷電的危害
微電子設(shè)備由于雷擊放電或者電氣設(shè)備的開關(guān)操作而產(chǎn)生的過電壓對設(shè)備造成失效 、損壞的實例屢見不鮮，由此造成了巨大的經(jīng)濟損失。直接損失通常反映設(shè)備使用者在硬件方面的損失，可以修復(fù)或者替換。然而軟件方面的損失以及設(shè)備停機所造成的損失是無法彌補的。對微電子設(shè)備采取行之有效的保護措施，實現(xiàn)對集成度越高而耐受過電壓能力越來越低的電子系統(tǒng)（設(shè)備）的可靠防護，盡量減小其遭受雷擊或沖擊過電壓的干擾和損壞，已成為微電子設(shè)備可靠性工作中急需解決的問題。
微電子設(shè)備通常工作在低壓電網(wǎng)中，低壓電網(wǎng)中過電壓有四類：雷電引起的過電壓、靜電放電、操作過電壓以及工頻過電壓。過電壓通常以共模（過電壓在帶電導(dǎo)體或中性線和大地之間產(chǎn)生）和差模（過電壓在帶電導(dǎo)體之間產(chǎn)生）兩種干擾方式干擾低壓電網(wǎng)，其中雷電過電壓破壞性最大。
微電子防雷設(shè)計
過電壓的傳播主要有傳導(dǎo)和感應(yīng)兩種方式，傳導(dǎo)過電壓是指架空饋電線或通信線路遭受雷擊后高壓沖擊波形成的暫態(tài)過電壓，可達幾十萬伏。該傳導(dǎo)過電壓沿線路傳播，高壓側(cè)4%的過電壓通過高低壓繞組及高低壓繞組間的耦合電容竄入到低壓側(cè)，造成低壓供電線路過電壓。
其中，幅值4KV以下的占91%，98%的過電壓幅值不會超過6KV，常常損壞線路上的儀器和設(shè)備。另外電力系統(tǒng)高壓側(cè)的操作過電壓，也有可能侵入低壓側(cè)用戶設(shè)備。感應(yīng)過電壓是指落在線路附近的雷擊，其雷電沖擊電流形成的輻射電磁場可在閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)過電壓。
現(xiàn)在，微電子設(shè)備耐受過電壓強度低的主要原因是設(shè)備內(nèi)部集成化程度越來越高，再加之內(nèi)部工作電壓通常工作在5VDC。對一個使用220VAC繼電器的電路而言，在轉(zhuǎn)換操作時產(chǎn)生一個500V的耦合瞬態(tài)電壓，其過電壓幾乎不會造成任何損壞，因為該電壓并沒有超過額定電壓值的2.5倍，而且僅在微秒（μs）的時間范圍內(nèi)出現(xiàn)。
但對于微電子設(shè)備中的集成電路而言，同樣的耦合過電壓在電路中已達到額定電壓值100倍，遠遠超出允許的2.5倍，肯定會造成IC的損壞，再加之IC的抗破壞強度比繼電器要低若干個數(shù)量級。為防止該過電壓破壞高靈敏度電氣設(shè)備，在可能出現(xiàn)此類高電壓的導(dǎo)線上，必須在極短的時間內(nèi)與均壓等電位系統(tǒng)實現(xiàn)短路。
防雷及過電壓保護機理
在電子設(shè)備防雷及過電壓保護上，通常采用分流、均壓、屏蔽、接地及保護等方式。這種電子設(shè)備是目前雷電防護中不可缺少的一種裝置，過去也稱為“過電壓保護器（SPD）”。其作用就是把竄入電力線、信號傳輸線瞬時過壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)姶蟮睦纂娏餍沽魅氪蟮?，使被保護設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊。
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1、分流
對直擊雷用接閃器引下線和接地裝置或通過導(dǎo)電且接地良好的金屬購架將雷電分流并引入大地，使之盡量不流過被保護設(shè)備和器件。雷電流通道的阻抗要低，散流要好，以降低電位，這種分流裝置通常在高層建筑上架裝避雷裝置，并定期檢查接地裝置和導(dǎo)電金屬構(gòu)架的接地良好性。目前對高靈敏度電子設(shè)備很難僅依靠一個“外部防雷設(shè)備”就達到保護目的，此外，還需考慮外部防雷設(shè)備給室內(nèi)電氣設(shè)備帶來的EMC問題。通過防雷設(shè)備接收和排放雷電沖擊電流時，會出現(xiàn)電磁場影響，間接雷電效應(yīng)產(chǎn)生的輻射電磁場強可達50KV/m，每平方米可產(chǎn)生幾百伏的電壓。從而導(dǎo)致過電壓進入電氣設(shè)備印刷電路板的導(dǎo)線回路和相應(yīng)數(shù)據(jù)線。如果雷電在電子設(shè)備附近或通過自然雷電電流通道擊中地下，也會以同樣方式進入導(dǎo)線回路。
2、均壓
將同一樓層同一部位的電纜外皮、設(shè)備外殼、金屬構(gòu)架（件）及管道等進行良好的電氣連接，以均衡電位。
3、屏蔽
采用屏蔽電纜，利用各種屏蔽箱（盒），法拉第籠和各種自然屏蔽體來阻擋侵入電子系統(tǒng)（設(shè)備）的電磁干擾和過電壓能量。
4、接地
將所有金屬外殼、機架（構(gòu)件）、管道、電纜金屬屏蔽層及穿線管連在一起，并與屏蔽籠及接地網(wǎng)就近連接。電氣和電子設(shè)備的防雷接地、工作接地及保護接地采用共地方式。
5、保護
在過電壓可能侵入的所有端口裝設(shè)必要的電涌吸收裝置和過電壓保護裝置，在計算機、電子系統(tǒng)引出的信號線及電源線上裝設(shè)多級保護，包括粗保護和細保護，將侵入的沖擊過電壓鉗制于允許的水平。
常用防雷及過電壓器件
目前常用的防雷及過電壓防雷器件有放電管（充氣式放電管）、壓敏電阻和瞬態(tài)電壓抑制器等。
1、氣體放電管
氣體放電管為低靈敏度保護器件，其工作部分通常用玻璃封裝或陶瓷封裝，內(nèi)部為一對相互隔開的冷陰極電極，并充以一定壓力的惰性氣體（多數(shù)為氬氣）。為了提高放電管的觸發(fā)概率，在放電管內(nèi)還有助觸發(fā)劑，從結(jié)構(gòu)上分二極型或三極型。
常用過電壓放電器可以排放10KA ( 8/20μs)以下的瞬態(tài)電流。氣體放電管的反應(yīng)時間是指從外加電壓超過擊穿電壓到產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象的時間，氣體放電管一般在μm微秒數(shù)量級。氣體放電管具有多種不同規(guī)格的直流擊穿電壓，其值取決于氣體的種類和電極間的距離等因素。
氣體放電管的電容量很小，一般≤1~5pF。它的工作原理是指當(dāng)加至氣體放電管兩電極間電壓達到電極擊穿電壓Ubr時，放電間隙立即點火放電，流通較大電流，而氣體放電管兩端電壓降到電極間電弧電壓，呈現(xiàn)低電阻。氣體放電管可在直流和交流條件下使用，所選用的直流放電電壓Udc≥Uo(Uo為線路正常工作的直流電壓)；交流條件下使用時，Udc≥1.44Un(Un為線路正常工作的交流電壓有效值)。
氣體放電管的動作時間在毫秒范圍內(nèi)，廣泛用于遠程通訊領(lǐng)域，優(yōu)點是耐電流大而靜電容小。缺點是點火電壓高，且點火性能受到時間的限制。氣體放電管的另一缺點是可能出現(xiàn)電源續(xù)流問題。氣體放電管點火以后，在電壓超過24V的低阻抗電路，尤其容易將原本只希望持續(xù)幾微秒后將氣體放電管引起的短路繼續(xù)保持下去，結(jié)果是氣體放電管在瞬間會爆裂。因此，在采用氣體放電管的過電壓保護線路里，必須預(yù)設(shè)一個斷路器，以便在極短的時間將電路切斷。
2、壓敏電阻
壓敏電阻是一種具有瞬態(tài)電壓仰制功能的限壓型保護器件。利用器件特別敏感的非線性特性，當(dāng)過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩級間，壓敏電阻可以將電壓箝位到一個相對固定的電壓值，從而實現(xiàn)對后級電路的保護。可以用來代替瞬態(tài)仰制二極管、齊納二極管和電容器的組合。常用于過電壓保護的壓敏電阻有金屬氧化物壓敏電阻（MOV）和碳化硅（SiC）兩類。壓敏電阻兩端正、反向都具有同二極管反向擊穿相類似的伏安特性，當(dāng)作用在其兩端的電壓達到一定數(shù)值后，電阻對電壓十分敏感。
壓敏電阻最顯著的特點是非線性特性好，電壓范圍很寬，可從幾伏到幾千伏，吸收電涌電流可從幾十安到幾千安培，反應(yīng)速度快，非線性指數(shù)大，無極性、無續(xù)流、使用壽命長且成本低，多用于直流電源、交流電源、低頻信號線路和帶饋電線路等。在手機、手提電腦、PDA、數(shù)字相機、醫(yī)療儀器等設(shè)備上，表面貼裝壓敏電阻應(yīng)用最為廣泛。
壓敏電阻器在電路浪涌和瞬變防護時的應(yīng)用大致可分四種類型：
1）在電源線之間和大地之間連接壓敏電阻
該壓敏電阻的使用最具代表性。在電源線及長距離傳輸?shù)男盘柧€遇到雷擊而使導(dǎo)線存在浪涌脈沖時對電子產(chǎn)品起到保護作用。通常線間接入的壓敏電阻對線間的感應(yīng)脈沖有效；而線與地間接入的壓敏電阻對傳輸線和大地間的感應(yīng)脈沖有效。若對線間連接與線地連接兩種形式進行組合，則可對浪涌脈沖能起到更好的吸收作用。
2）在負荷中的保護
將壓敏電阻器并聯(lián)至感性負載兩端，主要用于對感性負載突然開閉引起的感應(yīng)脈沖進行吸收，防止元件受到破壞。一般來講，將壓敏電阻并聯(lián)至感應(yīng)負載即可，如果再考慮電流種類和能量大小的不同，與R – C 串聯(lián)吸收電路合用更為理想。
3）接點間的連接保護
將保護壓敏電阻器并聯(lián)至被保護接點兩端，可防止感應(yīng)電荷將開關(guān)接點電弧燒壞的情況發(fā)生。
4）保護半導(dǎo)體器件
將壓敏電阻兩端并接至大功率的集電極、發(fā)射極兩端，或者可控硅陽極和陰極兩端，以限制電壓低于被保護器件的耐壓等級，這對半導(dǎo)體是一種非常有效的保護。
在具體使用壓敏電阻器時，如果電器設(shè)備耐壓水平Vo較低，而浪涌能量又比較大，則可選擇壓敏電阻V1mA 較低、片徑較大的壓敏電阻器；如Vo較高可選擇壓敏電壓V1mA較高的壓敏電阻器，這樣既可以保護電器設(shè)備又能延長壓敏電阻使用壽命。
另外壓敏電阻也可以與空氣放電管、TVS瞬態(tài)電壓抑制器組成綜合浪涌保護器，以得到最佳的保護效果。上述器件可組成二級保護或三級保護，氣體放電管一般放在線路輸入端，做為一級浪涌保護器件，承受大的浪涌電流；二級保護器件采用壓敏電阻，在μs（微妙）級時間范圍內(nèi)更快地響應(yīng)；對于高靈敏度的電子線路，可以增加第三級TVS保護，在ps（皮秒）級時間范圍內(nèi)對浪涌電壓產(chǎn)生響應(yīng)。
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在設(shè)計由氣體放電管和壓敏電阻組成的浪涌保護抑制電路時，應(yīng)充分考慮壓敏電阻具有漏電流不穩(wěn)定這一致命缺點，尤其是性能較差的壓敏電阻，在使用一段時間后，因漏電流變大可能會引起自爆。
為解決這一問題通常在壓敏電阻之間串入氣體放電管，放電管的另一端接入地端。這樣的組合對壓敏電阻使用有較為理想的保護，但同時也帶來了缺點：響應(yīng)保護時間增加（時間為各器件反應(yīng)時間之和）。如果被保護的不是高靈敏度的器件或者設(shè)備，保護時間沒有問題。對以上線路如果要提高保護靈敏度（響應(yīng)保護時間減少），可以在兩個串接的壓敏電阻器兩端再并聯(lián)一個壓敏電阻器就可以提高響應(yīng)速度，此時反應(yīng)的時間應(yīng)該為壓敏電阻工作時間。
在使用壓敏電阻器保護時，因壓敏電阻的結(jié)電容較大（一般在幾百到幾千pF數(shù)量范圍），很多情況不易直接應(yīng)用在高頻信號線路保護中。在交流電路保護中，也會因結(jié)電容較大而增加漏電流，在設(shè)計保護電路時應(yīng)根據(jù)被保護對象的實際情況充分考慮這一因素。
3、TVS瞬態(tài)電壓抑制器
瞬態(tài)電壓抑制器TVS是一種二極管形式的高效能保護器件。當(dāng)TVS二極管兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以ps級速度將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗崭哌_數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預(yù)定值，有效地保護電子線路中精密元器件免受各種浪涌脈沖的沖擊。由于它具有響應(yīng)時間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏小、箝位電壓較易控制、無損壞極限且體積小等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于計算機系統(tǒng)、通訊設(shè)備、儀器儀表、RS232/422、數(shù)字照相機的保護、共模/差模保護等領(lǐng)域。
TVS是高壓瞬間吸收器件，常在防雷保護裝置電路尤其是高靈敏度場所中使用。TVS與一般穩(wěn)壓管有著本質(zhì)區(qū)別，穩(wěn)壓管通常都是低壓穩(wěn)壓，反向擊穿電壓較低。而TVS在極性上分為單級性（用于直流電路）雙極性（用于交流電路）兩種，其主要參數(shù)應(yīng)該是泄露電流和反向時間。在具體使用時TVS在電路中一般工作于反向截止狀態(tài)，不影響電路的任何功能。如電路由于雷電或各種電器干擾出現(xiàn)大幅度的瞬態(tài)干擾和脈沖電流時，它可在ps內(nèi)迅速轉(zhuǎn)入反向?qū)顟B(tài)，并將電路中的電壓箝位在所要求的安全系數(shù)值上。干擾脈沖過去后，TVS則又轉(zhuǎn)入反向截止狀態(tài)。由于在反向?qū)〞r，其箝位電壓低于電路中其它器件的最高耐壓值，且TVS能承受的瞬間脈沖功率可以達到上千瓦，因而起到了對其它器件的保護作用。TVS有以下特點：
1）將TVS二極管加在信號電源線上，能防止微處理器或者單片機因瞬間脈沖、如靜電放電效應(yīng)、交流電源浪涌及開關(guān)電源的噪聲所導(dǎo)致的失靈。
2）可以吸收持續(xù)10ms 靜電放電效應(yīng)10×104 V, 60A以下的脈沖的沖擊。而一般TTL器件，遇到30ms 的10V的脈沖便會導(dǎo)致?lián)p壞。另外TVS還可消除由總線之間開關(guān)引起的干擾。
3）將TVS二極管放置在信號線及接地間，能避免數(shù)據(jù)總線受到不必要的噪聲影響。
在具體使用TVS時應(yīng)注意電流負荷量小和電容量較高這兩個方面的弊端。另外TVS具有自感存在，當(dāng)額定電壓越小，自感就越高，而且會與連接導(dǎo)線電感共同構(gòu)成一個低通，并隨著連接電路的信號頻率對數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生衰減作用。
4、扼流線圈
扼流線圈是一個鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個尺寸相同，匝數(shù)相同的線圈對稱繞制在同一個鐵氧體環(huán)形磁芯上形成的一個四端器件，對于共模信號呈現(xiàn)出的大電感具有抑制作用。共模干擾是同時疊加在兩條被測信號線的外界干擾信號，因被測信號的地與線路內(nèi)部地之間不等電位，由兩個地之間的電勢即共模干擾源產(chǎn)生。如遇到雷電干擾，線路中產(chǎn)生的共模干擾信號少則幾十伏甚至上百伏，如果沒有抑制措施很容易對線路內(nèi)部器件造成損壞。扼流線圈作用在平衡線路中十分有效地抑制了共模干擾信號，避免了共模干擾對器件的損壞，而對線路正常傳輸?shù)牟钅Ｐ盘枱o影響。
5、1/4 波長天饋線電涌保護器
1/4波長天饋線保護器是根據(jù)雷電電波的頻譜分析和天饋線的駐波理論所制作的微波信號電涌保護器。這種保護器中的金屬短路棒長度根據(jù)工作信號頻率的1/4波長來確定。此并聯(lián)的短路棒長度對該工作信號頻率來說，阻抗無窮大，相當(dāng)于開路狀態(tài)，不影響信號的傳輸，但對于雷電波來說，短路棒對于雷電波阻抗很小，相當(dāng)于短路，雷電能量被泄放入地。
具體制作方法是，在一個短的波導(dǎo)空腔插入信號線路，在其中部橫伸一段長度等于1/4信號波長的端部接空腔支路。按波行進原理，1/4波長段等于開路，信號可以從主空腔通過。由于雷電波頻譜的絕大部分遠離射頻，它被口腔支路所短路，短路棒的直經(jīng)一般為幾毫米，因此耐沖擊電流性能好，可達30KA（8/20μs）以上，而且殘壓很?。ㄖ饕嵌搪钒糇陨黼姼幸穑?。優(yōu)點是電壓保護水平很低，只有幾伏。不足之處是工頻帶較窄，帶寬約為2%～20%左右，另一個缺點是對天饋設(shè)施加直流偏置，使某些應(yīng)用受到限制。
電涌保護器的電路根據(jù)不同要求設(shè)計成不同結(jié)構(gòu)，但它至少應(yīng)包含一個非線性電壓限制器件。為達到更為理想的保護效果，也可以將常用的電涌保護器基本元件如：放電管、壓敏電阻、抑制二極管和扼流線圈，根據(jù)各自優(yōu)點綜合考慮放至浪涌保護器中，以達到既有好的有效性能，又有理想性價比的浪涌保護器。
微電子設(shè)備自身的抗浪涌保護能力十分脆弱，從廣義上講，其過壓防護應(yīng)充分發(fā)揮如分流、接地、均壓、屏蔽等措施，在此基礎(chǔ)上還應(yīng)根據(jù)非線性器件的特性，設(shè)計滿足不同要求的浪涌保護器。
